Lo que dice el último informe del IPCC sobre los combustibles sin carbono
Hoy es el "Día de la Descarbonización" en la COP27, y es la primera vez que la conferencia dedica un día entero a debatir la compleja cartera de estrategias y tecnologías necesarias para descarbonizar los sectores difíciles de eliminar. CATF espera que el hidrógeno, en concreto el producido mediante vías de bajas emisiones, desempeñe un papel importante en los debates de hoy, dado que muchos países y bloques regionales lo están adoptando en su estrategia de descarbonización. Por ejemplo:
- La Estados Unidos ha aprobado una legislación con disposiciones sobre el hidrógeno que proporcionan 8.000 millones de dólares para la creación de Centros Regionales de Hidrógeno Limpio (Ley de Infraestructura Bipartidista) y hasta 3 dólares por kilogramo (kg) de hidrógeno producido, dependiendo de la intensidad de carbono del hidrógeno (Ley de Reducción de la Inflación).
- La Comisión Europea, que tiene previsto producir e importar 10 millones de toneladas de hidrógeno renovable en la Unión Europea para 2030, ha aprobado recientemente una financiación de hasta 5.200 millones de euros para la investigación, el desarrollo y la implantación de infraestructuras y tecnologías del hidrógeno. La Comisión Europea también ha anunciado la creación de un nuevo Banco Europeo del Hidrógeno que invertirá 3.000 millones de euros para ayudar a construir el futuro mercado del hidrógeno.
- Egipto, país anfitrión de la COP de este año, también está invitando a invertir en hidrógeno mediante la construcción de una instalación de producción de hidrógeno ecológico de 8.000 millones de dólares en la Zona Económica del Canal de Suez.
Proyectos de ley y compromisos como estos son "un gran paso adelante para loscombustibles de carbono cero", según Emily Kent, Clean Air Task Force's Estados Unidos Director for Zero-Carbon Fuels. Los combustibles de carbono cero, como el hidrógeno y el amoníaco, no contienen carbono -como su nombre indica- y no producenCO2 cuando se queman. Mientras que la electrificación y el aumento de la electricidad con cero emisiones harán gran parte del trabajo de descarbonización, los combustibles con cero emisiones, como "el hidrógeno de bajas emisiones, tienen un potencial significativo como herramienta climática crítica para abordar sectores de la economía difíciles de descarbonizar, como el transporte pesado y la industria pesada". En la actualidad, estos sectores se abastecen de combustibles de altas emisiones y su electrificación puede resultar prohibitiva o comercialmente imposible.
Para obtener una perspectiva adicional y un resumen del consenso científico actual, este blog se sumerge en el reciente informe de la Sexta Evaluación (AR6) del Grupo de Trabajo III (WGIII ) del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) para explorar la opinión del IPCC sobre el papel de los combustibles sin carbono como solución climática.
El hidrógeno puede ayudar a equilibrar la carga a corto y largo plazo de una red eléctrica 100% libre de carbono
El sector eléctrico es la mayor fuente de emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (GEI). Representó alrededor de dos tercios de las emisiones mundiales en 2019 (Informe 6.3 del AR6 WGIII). Alcanzar una red eléctrica 100% neutra en carbono requerirá el rápido despliegue de una serie de recursos energéticos firmes como la energía nuclear, la geotérmica de roca supercaliente y el gas natural con captura y almacenamiento de carbono. Los recursos variables, como la energía solar y la eólica, también tendrán un papel importante.
El GTIII del IPCC concluye que el despliegue de una producción más variable requerirá una mayor flexibilidad de la red a partir de una "variedad de soluciones sistémicas", incluyendo el "hidrógeno electrolítico y sus derivados" (SPM C.4.3). Para el equilibrio a corto plazo, el hidrógeno puede utilizarse como combustible para las pilas de combustible o quemarse en las turbinas de gas para crear energía despachable, proporcionando así una capacidad de generación de electricidad "limpia y firme" para equilibrar una red con importantes fuentes de energía intermitentes con cero emisiones de carbono. Uno de los posibles retos técnicos es la adaptación de las turbinas para que funcionen con hidrógeno puro y la gestión de las emisiones de óxido de nitrógeno (NOX) asociadas que se forman por las altas temperaturas de las llamas. Ya existen ofertas de turbinas comerciales que pueden funcionar con proporciones de hasta el 20 o el 50% de hidrógeno en el gas natural, y muchas empresas ya se han comprometido a fabricar las que sean capaces de funcionar al 100% en 2030.
Para el equilibrio a largo plazo, el hidrógeno puede proporcionar "almacenamiento de electricidad para apoyar la alta penetración de las energías renovables intermitentes" y "permitir el comercio y el almacenamiento entre diferentes regiones" (Informe 6.6.2.4 del AR6 WGIII). En este contexto, el amoníaco puede ser un "portador de hidrógeno rentable" para el uso de hidrógeno a escala de red, dada su mayor densidad energética y su facilidad comparativa de licuación a temperaturas inferiores a -33°C cuando se encuentra a presiones ambientales (Informe 6.4.5.1 del AR6 WGIII). Si es necesario, el amoníaco puede volver a "craquearse" en hidrógeno. El amoníaco no craqueado, al igual que el hidrógeno, también puede utilizarse en pilas de combustible o quemarse en turbinas de gas para generar energía. Aunque ambas tecnologías son incipientes, su potencial significa que el amoníaco "podría desempeñar un papel importante en la formación de una economía [interconectada] de hidrógeno y/o amoníaco para apoyar la descarbonización" (Informe 6.4.5.1 del AR6 WGIII).
La descarbonización del sector industrial requiere hidrógeno de bajas emisiones como materia prima y combustible
El sector industrial es el segundo sector que más emite y representó el 24% de las emisiones mundiales en 2019. Cuando se incluyen las emisiones indirectas de la generación de electricidad y calor, supera al sector energético como el mayor sector emisor, con un 34% de las emisiones mundiales en 2019 (Informe 11.2.2 del AR6 WGIII). El Grupo de Trabajo III ha establecido dos amplias categorías sobre cómo el hidrógeno de bajas emisiones puede descarbonizar el sector industrial: cambio de materia prima y de combustible. En el caso del cambio de materia prima, los procesos químicos existentes que utilizan hidrógeno, como la producción de amoníaco, pueden utilizar una versión con menos emisiones producida mediante electrólisis con electricidad limpia o reformado de gas junto con la captura de carbono y otras medidas de reducción de emisiones. Los procesos de reducción directa de hierro (DRI) basados en gas para la producción de acero también utilizan ya el hidrógeno, pero esta vez en una mezcla con monóxido de carbono conocida como syngas. El syngas se utiliza en estos procesos para reducir los minerales de hierro, eliminando así el oxígeno del óxido de hierro. El hierro esponjoso resultante puede introducirse en hornos de arco eléctrico para fabricar acero. En este caso, el hidrógeno de bajas emisiones puede sustituir hasta el 30% del metano utilizado para fabricar el gas de síntesis sin necesidad de cambiar el proceso. El objetivo final, que requiere cambios en el proceso, sería sustituir el gas de síntesis por completo con sólo hidrógeno, algo que ya se ha demostrado comercialmente en Trinidad.
Como combustible, el hidrógeno puede utilizarse como sustituto total o parcial de los combustibles que contienen carbono en el calentamiento de procesos. El calentamiento de procesos a alta temperatura en altos hornos y en la producción de productos químicos primarios son dos ejemplos en los que la cocombustión con hidrógeno puede ayudar a reducir las emisiones. En este sentido, el WGIII citó los trabajos experimentales de los proyectos Course50 y Thyssenkrupp que demostraron el potencial de reducir las emisiones entre un 30 y un 40% mediante la cocombustión de hidrógeno en altos hornos y hornos de oxígeno (Informe 11.4.1 del AR6 WGIII). Este método de descarbonización ya se está adoptando en regiones como el puerto de Rotterdam, donde el hidrógeno se utilizará como combustible para reducir 2,7 Mt de emisiones deCO2 como parte de su proyecto H-vision.
A medida que los países tratan de adoptar políticas que promuevan el uso de versiones con bajas emisiones de carbono de los materiales básicos comercializados internacionalmente, el GTIII predice que "las regiones con abundante energía y materias primas con bajas emisiones de gases de efecto invernadero tienen el potencial de convertirse en exportadores de productos químicos y materiales basados en el hidrógeno procesados con electricidad e hidrógeno con bajas emisiones de carbono" (GDS C.5.3).
El hidrógeno puede ayudar a descarbonizar el transporte terrestre pesado, pero necesita pilas de combustible más maduras
El sector del transporte es la cuarta fuente de emisiones de GEI y representó aproximadamente el 15% de las emisiones totales de GEI en 2019 (Informe 10.1.2 del AR6 WGIII). El WGIII cree que el hidrógeno es "muy prometedor para reducir las emisiones si se produce utilizando fuentes de energía de baja emisión de carbono" para "los segmentos de transporte más difíciles de electrificar, como los vehículos pesados" (Informe 10.3.3 del AR6 WGIII). Esto coincide con la opinión deCATF sobre el uso del hidrógeno en el transporte terrestre: los elevados requisitos energéticos del transporte terrestre pesado suponen un reto para los sistemas alimentados por baterías y significan que los vehículos de pila de combustible de hidrógeno podrían ser la clave para descarbonizar completamente el sector. Es más probable que el hidrógeno desempeñe un papel complementario en los mercados de transporte ligero.
Para que el hidrógeno desempeñe un papel más importante en la descarbonización de los vehículos pesados, el WGIII pide que se realicen más avances en la tecnología de las pilas de combustible, ya que todavía "no está madura para muchas aplicaciones comerciales" (Informe 10.3.3 del AR6 WGIII). Un ejemplo citado en el informe es la mejora de la durabilidad de las pilas de combustible, que debe acercarse a las 30.000 horas para ser competitiva con los vehículos diésel. Las pilas de combustible utilizadas en los autobuses han demostrado una durabilidad cercana a ese rango, mientras que los vehículos ligeros con pilas de combustible se acercan al rango de las 4.000 horas (Kurtz et al. 2019). CATF anima tanto al sector público como al privado a continuar con la investigación y el desarrollo (I+D) para mejorar el rendimiento de las pilas de combustible y permitir que el hidrógeno sea una solución climática para el sector del transporte.
El hidrógeno de bajas emisiones será vital como combustible o materia prima para la descarbonización de los combustibles en las industrias del transporte marítimo y la aviación
A diferencia del transporte terrestre, el WGIII predice que "las tecnologías de los motores de combustión interna seguirán siendo probablemente las opciones predominantes para el transporte marítimo y la aviación. Por lo tanto, la reducción de las emisionesde CO2 y otras emisiones de los motores de combustión interna mediante el uso de combustibles de bajo o nulo contenido de carbono es esencial para una estrategia equilibrada de limitación de los niveles de contaminantes atmosféricos". (Informe 10.3.1 del AR6 WGIII).
En el caso de la aviación, el GTIII aclara que "la literatura no apoya la idea de que haya grandes mejoras en la eficiencia energética de la aviación" -como avances en el sistema de propulsión u optimizaciones en el diseño de las aeronaves- "que sigan el ritmo de crecimiento previsto del transporte aéreo" (Informe completo 10.5.3). Mientras que los aviones más cortos y pequeños (es decir, de menos de 50 pasajeros) podrían electrificarse, los aviones más largos y grandes probablemente requerirán hidrógeno líquido, biocombustibles producidos de forma sostenible y/o combustible sintético para aviones. El hidrógeno es vital para los procesos de producción de los dos últimos; los combustibles sintéticos utilizan hidrógeno como materia prima y los biocombustibles requieren hidrógeno para la desulfuración. Hasta ahora, la industria se ha decantado en gran medida por los biocombustibles, pero el reciente análisis de CATFmuestra que es probable que se necesiten todas estas opciones para descarbonizar completamente la industria.
Para el transporte marítimo, el WGIII considera que "el hidrógeno y el amoníaco, cuando se producen a partir de energías renovables o acoplados a la CAC, en lugar de hacerlo principalmente con combustibles fósiles [incontrolados] con altas emisiones en su ciclo de vida (Bhandari et al 2014), pueden contribuir a reducciones significativas deCO2 equivalente de hasta un 70 a 80% en comparación con el fuel oil pesado con bajo contenido de azufre (Bicer y Dincer 2018b; Gilbert et al. 2018)" (Informe 10.6.4 del AR6 WGIII). Aunque el hidrógeno licuado tiene una densidad energética volumétrica relativamente baja en comparación con los combustibles fósiles líquidos, sigue siendo superior a la del gas de hidrógeno comprimido y las baterías. Por lo tanto, puede ser un combustible aceptable para ciertas rutas marítimas de corta distancia.
Tanto el hidrógeno como el amoníaco pueden utilizarse en las turbinas de gas y los motores de combustión interna o en las pilas de combustible para extraer energía. El amoníaco también puede utilizarse para transportar el hidrógeno, ya que es más fácil de transportar que el hidrógeno líquido. Además de tener una densidad energética volumétrica un 50% superior a la del hidrógeno líquido, el amoníaco tiene la ventaja añadida de que ya se transportan por vía marítima unos 20 millones de toneladas al año (el 10% de la producción mundial). Por ello, numerosas instalaciones portuarias ya cuentan con infraestructuras de carga, almacenamiento y transporte de amoníaco(Gallucci 2021).
Para tener un impacto climático beneficioso, el hidrógeno utilizado en el cambio de combustible o de materia prima debe tener una baja intensidad de GEI
Para aprovechar todos los beneficios de la transición de los principales sectores emisores al hidrógeno, el GTIII hizo hincapié en que el hidrógeno utilizado debe tener una baja intensidad de gases de efecto invernadero (es decir, electrólisis con electricidad de baja emisión de carbono, reformado de gas con tasas muy altas de captura y almacenamiento de carbono, tasas muy bajas de emisiones de metano en la cadena de suministro de gas natural, venteo/declaración mínima, etc.). Arriba se muestra un ejemplo ilustrativo: una revisión de las emisiones del ciclo de vida basada en diferentes tecnologías de transporte y/o tipos de combustible para camiones pesados. El informe del GTIII contenía estos gráficos para cada tipo de tecnología de transporte de mercancías, excepto para la aviación. En el caso de los camiones pesados, las emisiones del ciclo de vida del uso de pilas de combustible alimentadas con hidrógeno de altas emisiones (es decir, reformado sin captura de carbono) son a veces comparables a las del uso de diésel. Por el contrario, el hidrógeno y los combustibles derivados del hidrógeno (amoníaco, FT-Diesel) producidos con energías renovables bajas en carbono ofrecen una reducción sustancial de las emisiones en comparación con la alternativa de los combustibles fósiles existentes.
Retos y recomendaciones CATF
Sin embargo, el hidrógeno de bajas emisiones no está exento de desafíos. Su eficacia como solución de descarbonización, como señala el WGIII, dependerá de su coste en comparación con el hidrógeno convencional y los combustibles de altas emisiones a los que sustituye, del nivel de preparación tecnológica de los usos finales específicos y de la necesidad de una infraestructura más amplia (WGIII 6.6.2.4). Otro desafío clave será encontrar una alineación internacional sobre un sistema de certificación, que es un elemento crucial que no sólo garantiza que el hidrógeno se produce utilizando vías beneficiosas para el clima, sino que también establece la confianza del mercado mediante la acreditación del comercio entre los principales importadores y exportadores de hidrógeno.
CATF está ayudando a afrontar estos retos mediante un análisis riguroso, el diseño de políticas públicas, la educación pública y la promoción, garantizando que las condiciones políticas, políticas y de mercado mundiales estén maduras para una transición completa que permita pasar de los combustibles de altas emisiones a las soluciones de carbono cero. Recomendamos que las partes interesadas sigan invirtiendo en la investigación, el desarrollo, la demostración y el despliegue ("RDD&D") para el desarrollo responsable de la producción y el uso de hidrógeno con bajas emisiones. Los esfuerzos de I+D+i, como los Centros Regionales de Hidrógeno Limpio de EE.UU., generarán aprendizajes que podrán ser compartidos por todas las regiones para catalizar una mayor inversión y colaboración pública y privada. Las regiones también deberían tratar de ampliar rápidamente la electricidad con cero emisiones de carbono, especialmente la energía limpia firme, que reducirá los costes del hidrógeno electrolítico al permitir mayores tiempos de funcionamiento del electrolizador. Los marcos políticos de apoyo y la estimulación del mercado para la infraestructura de gestión del carbono serán igualmente vitales para reducir los costes de la producción de hidrógeno de origen fósil con altos índices de captura y almacenamiento de carbono.
Conclusión
El GTIII del IPCC indica claramente que el hidrógeno de bajas emisiones será una herramienta clave en el conjunto de soluciones al cambio climático. También indica que el hidrógeno de bajas emisiones tiene un inmenso potencial para contribuir a la descarbonización de los sectores difíciles de eliminar. Las regiones que comprendan esto y quieran adoptar o seguir estableciendo el hidrógeno de bajas emisiones en sus estrategias de descarbonización también deben mirar más allá de sus fronteras. La resolución de estos retos políticos, de mercado y de investigación requerirá un mayor discurso, colaboración y consenso a nivel internacional, y el "Día de la Descarbonización" de la COP27 ofrece una plataforma esperanzadora para que estos debates continúen.